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Etude par simulation numérique du comportement des portiques métalliques en sit

Etude par simulation numérique du comportement des portiques métalliques en situation d’incendie Revue « Nature & Technologie ». A- Sciences fondamentales et Engineering, n° 13/ Juin 2015. Pages 02 à 09 2 Etude par simulation numérique du comportement des portiques métalliques en situation d’incendie aN. Benlakehal, aB. Lamri, aA. Kada, bL. M.R. Mesquita , c,dA. Bouchair a Laboratoire de structures, géotechnique et risques, Université Hassiba Benbouali de Chlef, Faculté de Génie Civil et d’Architecture, Département de Génie Cvil, BP 151, Route de Sendjas, Chlef 02000, Algeria., E-mail: n_blk@yahoo.fr bApplied Mechanics Department, Polytechnic Institute Of Bragança, AP. 1134, 5301-857 Bragança, Portugal cClermont Université, Université Blaise Pascal, Institut Pascal, BP 10448, 63000 Clermont Ferrand, France dCNRS, UMR 6602, Institut Pascal, 63171 Aubière, France Résume Les structures en portiques métalliques à double versants sont largement utilisées dans les bâtiments industriels pour des raisons pratiques d’exploitation, de durabilité et de rentabilité. Cependant le matériau acier quoi que ductile, il reste vulnérable aux excès de températures. Les récents événements d’incendies concernant les structures et bâtiments industriels de Sonatrach, à Alger dans une zone urbaine ou à Skikda dans une zone industrielle, nous rappellent le danger réel et le risque potentiel des incendies. Les nouvelles normes Européennes définissent des exigences actives et passives concernant le comportement au feu des hangars industriels. L’objectif de ce travail est d’étudier, par des simulations numériques, le comportement des portiques métalliques à double versants sous différents scénarios d’incendie. L’analyse numérique par la MEF et utilisant le logiciel ANSYS est considérée afin d’évaluer la résistance de ces structures et de rationaliser leur protection au feu. Une analyse, utilisant les non linéarités géométrique et matérielle, est conduite avec une variation progressive des températures jusqu’à la ruine. Différents taux de chargement ainsi que différents scénarios de feu seront utilisés pour évaluer la température critique ainsi que les déplacements des portiques en fonction de l’évolution de la température. Les résultats du modèle numérique sont comparés à ceux calculés par les méthodes simplifiées de l’Eurocode 3. Mots clés : Bâtiments industriels, portiques métalliques, incendie, hautes températures, simulation numérique Abstract Pitched roof Steel frame structures are widely used as industrial buildings for practical reasons of exploitation, durability and cost efficiency. However, steel although is a ductile material, it remains vulnerable to excessive temperatures. The recent accidents which occurred in the industrial buildings of Sonatrach (Algeria), in an urban area in Algiers or in an industrial zone in Skikda, remind us of the real danger and the potential risk of fire. The recent European norms define active and passive requirements for the design of industrial buildings under fire. The objective of this work is to investigate the behaviour of portal steel frames in fire situation. A numerical analysis using FEM software ANSYS is performed using geometric and material non-linear finite strength with a variation in temperature until ultimate collapse. Several load ratio and fire scenarios are considered in order to evaluate the critical temperature and the variation of the displacements with increasing temperature. The results of the numerical modelling are compared with simplified methods of EC3-1.2. Keywords: Industrial buildings, steel frames, fire, high temperature, numerical simulation 1. Introduction L’incendie représente un risque majeur dans le domaine du génie civil et notamment dans le bâtiment. Il peut causer des pertes humaines et matérielles considérables. Lors d’un incendie, les éléments d’un bâtiment perdent de leur résistance mécanique du fait de l’augmentation de la température, ceci entraine la ruine plus ou moins importante du bâtiment. Ceci est dû essentiellement à la grande déformation de l’acier sous l’effet de hautes températures où la limite élastique fy et le module de Young E subissent une dégradation importante [1]. De nombreuses études prennent en considération les effets de la dégradation de la résistance et de la rigidité sous l’effet d’incendie dans l’analyse du comportement des éléments de structures métalliques [2-5]. Cependant l’étude de leur comportement structural dans un contexte de Nature & Technology Soumis le : 09.Mars 2014 Forme révisée acceptée le : 15 Mai.2015 Email de l'auteur correspondant : n_blk@yahoo.fr Etude par simulation numérique du comportement des portiques métalliques en situation d’incendie 3 Revue « Nature & Technologie ». A- Sciences fondamentales et Engineering, n° 13/ Juin 2015. Pages 02 à 09 portique, en 2D où dans un ouvrage industriel en 3D, nécessite des modèles numériques plus élaborés auxquelles les nouvelles normes Européennes datant du 5 Aout 2002 répondent par des exigences prescriptives [6]. Ces dernières sont énumérées comme suit : - En cas d’incendie se déclarant dans une des cellules du bâtiment, il ne doit pas y avoir d’effondrement de la structure vers l’extérieur. - En cas d’incendie se déclarant dans une des cellules du bâtiment, la ruine de cette cellule ne doit pas entraîner la ruine des cellules avoisinantes. - Le comportement de la structure au voisinage des éléments séparatifs coupe- feu doit permettre à ces derniers de conserver leur qualité coupe-feu pendant la durée requise. Afin de répondre à ces critères de performance, plusieurs études paramétriques pour les bâtiments industriels en charpente métallique ont été menées dans le cadre d’un projet de recherche Européen. Ces études ont permis d'élaborer des méthodes simplifiées de dimensionnement, essentiellement prescriptives selon des scénarios d’incendie [7]. Le comportement réel des bâtiments industriels en situation d’incendie nécessite la considération de paramètres tenant compte de la non-linéarité matérielle et géométrique du matériau acier ainsi que les variations des caractéristiques thermomécaniques de ce dernier. Cependant, seul un calcul avancé utilisant la modélisation par des logiciels en éléments finis permet une analyse globale de la structure (ANSYS, ABAQUS, SAFIR, …) en prévoyant des scénarios de feu les plus divers [8-10]. Cet article a pour objectif de procéder, par une simulation numérique, à l’étude du comportement non- linéaire de portiques à double versants sous des conditions d’incendie. Les modèles sont élaborés sous l’incendie conventionnel ISO 834 [11] en utilisant le logiciel ANSYS [12]. L’analyse, utilisant la non linéarité géométrique et la non linéarité du matériau, est conduite avec une variation progressive des températures jusqu’à la ruine. Différents taux de chargement ainsi que différents scénarios de feu sont utilisés pour évaluer la température critique ainsi que les déplacements des portiques en fonction de l’évolution de la température. 2. Propriétés mécaniques et thermiques de l’acier aux températures élevées 2.1. Relations contrainte - déformation Pour les matériaux tels que l’acier, l’accroissement de température conduit à la diminution des propriétés mécaniques tels que la limite d’élasticité fy et le module de Young E. On peut constater que la perte significative en résistance pour l’acier commence à 400 °C. A 600°C, sa résistance est réduite approximativement de 50%. En revanche, sa raideur pourrait être réduite de 70% d’environ. L’Eurocode 3 [1] donne une formule approximative du facteur de réduction pour la limite d’élasticité ky,θ en fonction de la température θ : 833 3 1 19 39 482 1 96741 0 . . , y e . k −         −                + = θ θ (1) et du facteur de réduction du module de Young selon la figure 2. Fig. 1. Contraintes-déformations de l’acier S355 à différentes températures Déformation ε Limite élastique Module élastique Facteurs de réduction Limite proportionnelle Fig. 2. Coefficient de réduction de l’acier aux températures élevées Etude par simulation numérique du comportement des portiques métalliques en situation d’incendie Revue « Nature & Technologie ». A- Sciences fondamentales et Engineering, n° 13/ Juin 2015. Pages 02 à 09 4 2.2. Dilatation thermique Pour le matériau acier, l’Eurocode 3 [1] propose des formules empiriques de la dilatation thermique ∆L/L en fonction de la température. ( ) ( ) ( ) (2) 1200 860 10 x 2 x10 2 6 860 750 x10 11 750 20 10 x 4 0 10 x 2 1 x10 416 2 5 3 - 3 - 2 8 5 -4 C C pour . L L C C pour L L C C pour . . . L L a a a ° ≤ ≤ ° + − = ° ≤ ≤ ° = ° ≤ ≤ ° + + − = − − − θ θ ∆ θ ∆ θ θ θ ∆ Pour des calculs simplifiés, l’EC3 [1] propose une valeur constante de α égale à 14x10-6 °C-1. 3. Données de base 3.1. Modèles d’incendie Bien que les paramètres qui gouvernent les conditions de développement d’un incendie réel sont nombreux (quantité et nature des matériaux combustibles, types de parois du compartiment et conditions de ventilation), un modèle de feu conventionnel, ISO 834, a été adopté, figure 3. Cette dernière représente l’action d’un incendie dans un bâtiment à compartiment dit confiné selon la formule donnée par l’Eurocode1 partie 1-2 [11]: ( ) 1 8 345 20 10 + + = t log a θ (3) Où : a θ est la température des gaz en [ ] C ° et t est le temps en [min]. 3.2. Evolution de la température dans les profilés métalliques La courbe uploads/Ingenierie_Lourd/ article-329.pdf